CN102375233A - 一种折反式光栅棱镜组合色散组件及设计方法 - Google Patents

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何志平
袁立银
吴金才
舒嵘
王建宇
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Abstract

本发明公开了一种折反式光栅棱镜组合色散组件及设计方法。其特征在于：色散组件由棱镜及反射光栅组成，形成折反射式的分光结构，不仅可以实现低光谱弯曲的分光功能，而且可以方便地实现不同谱段的分光及灵活的光机布局。本发明的优点是：谱段选择灵活，光谱弯曲低，光学效率高，适应紧凑型、高性价比成像光谱仪的研制要求。

Description

一种折反式光栅棱镜组合色散组件及设计方法
技术领域
本发明涉及光谱成像技术中的光学组件、系统，具体是指一种折反式光栅棱镜组合色散组件及设计方法。
背景技术
成像光谱仪是用来进行目标探测识别和物质成分分析的主要仪器之一。它可以同时获取目标的几何特征分布和光谱特征信息，在地质勘查、环境监测、农林经济和科学研究等领域应用广泛。
成像光谱仪的分光功能由分光器件实现。色散型成像光谱仪的分光器件有棱镜、光栅、棱镜-光栅组合。棱镜和光栅，具有各自的优缺点，而采用棱镜和光栅组合往往兼具二者优点。1992年芬兰Mauri Aikio在专利WO9321548A1中公开了一种棱镜-光栅-棱镜色散器件，其光栅为透射式全息体相位光栅，具有直视性。之后，苏州大学在专利200810156858.1中也公开了一种棱镜-光栅-棱镜色散器件，两者均采用了透射光栅，形成透射式直射形的光路构形。上述器件具备以下几方面的不足：1)由于材料和制作工艺的特点，其性能稳定性不如反射式平面光栅可靠，并且透过谱段限制较大，特别是用于红外分光的低刻线数透射光栅制造困难；2)直视性的光路构型，适应不了航空航天成像光谱仪器对构型布局的具体要求；3)透射光栅与反射光栅相比，可供选择的种类较少，基本上需要定制，造成系统价格昂贵。
发明内容
本发明的技术解决问题是：基于上述已有技术存在的一些不足，本发明的目的是提供一种折反式光栅棱镜组合色散组件及设计方法，以实现低光谱弯曲的分光功能的同时，方便地实现不同谱段的分光及灵活的光机布局，满足紧凑型、高性价比成像光谱仪的研制要求。
直视型成像光谱仪的光路示意如图1所示，整个光学系统由成像镜1、准直镜2、色散组件3、会聚镜4、探测器5。本发明如图2、图3示意，来自物方的光束由成像镜1成像于线阵狭缝上，通过线阵狭缝的光由准直镜2准直后依次进入色散组件3的棱镜301和反射光栅302分光，分光后的光束由会聚镜4会聚至探测器5上，获得目标的光谱图像。
其中色散组件由棱镜301及反射光栅302组成，形成折反射式的分光结构，利用光栅色散时线阵狭缝谱线朝长波方向而棱镜色散时谱线朝短波方向弯曲的特性，实现低光谱弯曲的分光功能。其设计步骤如下：
1)首先根据光栅方程，由所需的光谱范围λ1～λ2，会聚镜焦距f，光谱维的长度L确定光栅的角色散，从而确定光栅的光栅常数；
2)将线阵狭缝长度、光栅常数、棱镜材料在光学软件中建模，将光谱弯曲量作为评价函数，进行优化，从而得到棱镜的楔角θ。并由此确定了色散组件的光学及结构参数。
由此，完成对组合色散组件的主要参数的设计。
所述的反射光栅302及棱镜301即可是分立的，也可组合成棱栅6；反射光栅302可以通过控制入射光角度，灵活实现构形布局，满足具体结构要求。
所述的棱镜301，为满足光路布局，即可为单个棱镜，又可为多个棱镜组合。
本发明色散组件的优点是：
1.系统结构紧凑，方便构型布局；
2.色散组件采用光栅棱镜组合，可获得线性色散光谱，亦有利于校正光谱弯曲；采用平面闪耀反射光栅，能得到较高的衍射效率，获取渠道畅通，价格便宜。
4.色散组件中的反射式平面光栅的放置角度可根据光路灵活设计；
5.色散组件中使用反射式平面光栅，不受光栅材料的限制，可根据需要，适用于从紫外到红外波段的光谱分光；
附图说明
图1为成像光谱仪光路示意图，图中：
1为成像镜；
2为准直镜；
3为色散组件；
4为会聚镜；
5为探测器。
图2为分立式折反射棱镜光栅组合分光的成像光谱仪光路示意图，图中：
301为棱镜；
302为反射光栅；
θ为棱镜301的楔角。
图3为棱栅分光的成像光谱仪光路示意图，图中：
601为棱栅的入射面；
602为反射光栅；
603为棱栅的出射面；
θ为棱镜棱栅出射面603的楔角。
具体实施方式
现结合图2、图3的结构示意图，来说明本发明的实施方式，而不是限制本发明的适用范围。
针对相同如下技术指标的光谱成像系统，设计了图2和图3的色散组件。
光谱成像系统技术指标：
光谱范围：450～1000nm，
狭缝长度：7.68mm，
光谱宽度：3.84mm，
分光系统物方数值孔径：0.15，
分光系统放大率：为1∶1，
狭缝弯曲：＜5μm。
设计结果：
图2中棱镜301为石英材料，其楔角θ为8.31°；反射光栅302为石英材料，其光栅常刻线数为117l/mm。
图3中棱栅6为石英材料，其楔角θ为8.31°；棱栅的反射面为反射光栅602，其刻光栅常线数为117l/mm。

Claims (4)

1.一种折反式光栅棱镜组合色散组件，其特征在于：
色散组件(3)由棱镜(301)及反射光栅(302)组成，形成折反射式的分光结构；来自物方的光束由成像镜(1)成像于线阵狭缝上，通过线阵狭缝的光由准直镜(2)准直后依次进入色散组件(3)的棱镜(301)和反射光栅(302)分光，分光后的光束由会聚镜(4)会聚至探测器(5)上，获得目标的光谱图像。
2.根据权利要求1所述的一种折反式光栅棱镜组合色散组件，其特征在于：所述的反射光栅(302)及棱镜(301)是分立的，或者如棱栅(6)是组合在一起的。
3.根据权利要求1所述的一种折反式光栅棱镜组合色散组件，其特征在于：所述的棱镜(301)为多个棱镜组合。
4.一种如权利要求1所述结构的色散组件的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先根据光栅方程，由所需的光谱范围λ1～λ2，会聚镜焦距f，光谱维的长度L确定光栅的角色散，从而确定光栅的光栅常数；
2)将线阵狭缝长度、光栅常数、棱镜材料在光学软件中建模，将光谱弯曲量作为评价函数，进行优化，从而得到棱镜的楔角θ，并由此确定色散组件的光学及结构参数。
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